Yarrowia lipolytica的胞外代谢物能够诱导微生物之间的信号传递和相互作用，从而增强土壤中对氯化烃的降解作用

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Yarrowia lipolytica extracellular metabolites induce microbial signaling and interactions to enhance chlorinated hydrocarbon degradation in soil

本研究通过环境因素关联、菌群结构、信号分子网络及功能基因分析，阐明Yarrowia lipolytica胞外代谢物（YEMs）促进三氯乙烯（TCE）生物降解机制。结果显示，YEMs使TCE降解效率达93.93%，同时改善土壤化学性质及酶活性，显著增加真菌（酪醇）和细菌（C6-HSL、C8-HSL）群体感应信号分子浓度，菌群相互作用增强，关键降解基因pceA及酶基因簇pmoABC-amoABC-dmpKLMNOP显著富集，为YEMs在CHCs污染场地应用提供理论支撑。

　　

孟媛|陈国涛|张志琦|王静辉|赵燕|谢光红|姜银|任源

华南理工大学环境与能源学院，中国广州510006

摘要

氯化烃（CHCs）持续威胁着生态系统。利用环保型生物刺激剂增强本土微生物的修复能力是生物修复的核心策略。本研究旨在从多个角度阐明Yarrowia lipolytica的胞外代谢物（YEMs）促进三氯乙烯（TCE）生物降解的机制，包括环境因素相关性、群落结构、相互作用网络和功能基因。结果表明，YEMs对微生物降解TCE的最大生物刺激效率可达93.93%，同时还能改善土壤化学性质和酶活性。在第40天和第120天，真菌（酪醇）和细菌（C6-HSL和C8-HSL）的群体感应信号分子显著增加。群落分析显示细菌群落结构发生了明显变化，其丰度变化与TCE和信号分子的水平之间存在显著相关性。细菌-细菌以及细菌-真菌之间的相互作用变得更加密切。此外，特定的脱卤酶编码基因pceA和非特异性单加氧酶基因簇pmoABC-amoABC和dmpKLMNOP显著富集，与产酸、产氢和钴胺素（维生素B₁₂）合成相关的宏基因组（MAGs）的丰度也增加，为TCE的氧化还原脱氯提供了功能支持。本研究揭示了YEMs诱导的微生物TCE降解机制，并为其在实际CHC污染场地中的应用提供了理论支持。

引言

氯化烃（CHCs）是一类广泛存在于环境中的有机污染物。它们容易从土壤渗透到地下水中，并随着地下水流动而扩散，导致广泛的环境污染。因此，CHC污染环境的修复一直是研究的重点。微生物修复更符合绿色和环境友好的恢复原则，已被广泛应用。然而，环境中营养物质的匮乏以及外源微生物与本土微生物之间的潜在竞争或拮抗作用可能会破坏微生物群落结构，降低功能性微生物的存活率，并影响代谢功能，从而限制修复效果[1]。近年来，生物刺激剂对本土微生物群落和污染物降解表现出积极影响。已经研究了多种类型的生物刺激剂，例如向土壤中添加农业固体废物[2]、[3]（如牛粪、秸秆衍生生物炭）和富含NPK的肥料[4]，以增强微生物活性和污染物的生物可利用性。然而，对大多数生物刺激剂作用机制的有限理解阻碍了它们在现实环境中的广泛应用。

微生物相互作用在生态系统中形成了高度复杂且功能多样的微生物网络，在维持生态平衡和促进物质循环中起着关键作用。生物刺激剂可以调节土壤的物理化学性质，为微生物创造有利的生长条件[5]。更重要的是，它们的核心功能在于调节微生物群落结构、多样性和功能性，从而促进种间物质交换和信号传递，最终推动污染物降解。一方面，CHCs可以通过氧化或还原途径降解。例如，由共代谢底物激活的非特异性单加氧酶可以氧化降解CHCs，而乙酸和氢等电子供体可以刺激脱卤菌、产甲烷菌和发酵菌（如Sulfurrospirillum、Dehalococcoides、Methanospirillum和Bacteroides）作为微生物群落的主要成员，从而促进还原脱氯。产甲烷菌可以通过合成钴胺素（维生素B₁₂）来增强脱卤菌的活性；然而，它们对H?的竞争可能会抑制脱氯作用。在这种情况下，来自发酵菌的H?供应可以平衡这种相互作用并加速脱氯效率。随后，低浓度的CHCs可以被其他微生物完全矿化[6]、[7]。另一方面，群体感应（QS）系统——微生物通信机制——通过QS信号分子（如革兰氏阴性菌中的N-酰基-高丝氨酸内酯（AHLs）、Candida albicans中的法尼醇和酪醇）调节基因表达，可能影响微生物对污染物的降解[8]、[9]。例如，N-丁酰基-高丝氨酸内酯（C4-HSL）可以附着在真菌菌丝上并形成生物膜，而其他AHLs可以抑制菌丝生长[10]。研究表明，Pseudomonas aeruginosa衍生的C4-HSL和N-（3-氧代十二烷酰基）-高丝氨酸内酯（3-氧代-C12-HSL）可以增强细菌对石油烃的降解[11]。法尼醇通过抑制LasI/LasR系统抑制毒力因子（绿脓菌素）的产生，同时抑制菌丝生长和生物膜形成。相反，酪醇促进早期菌丝生长和生物膜形成，从而增加微生物与污染物之间的接触面积[12]。

在我们之前的工作中，我们发现富含有机酸的Yarrowia lipolytica胞外代谢物（YEMs）在水系统中显著增强了微生物对三氯乙烯（TCE）的降解。我们进一步在生理和分子水平上阐明了其在Acinetobacter这一筛选出的功能菌株上的作用机制[13]。然而，这种生物刺激剂如何影响本土土壤微生物对污染物的降解机制仍不清楚。因此，本研究探讨了YEMs对土壤中TCE生物降解的影响，以及土壤化学性质、酶活性和信号分子浓度的变化。特别强调了通过综合分析环境因素相关性、群落结构、相互作用网络和功能基因来阐明YEMs刺激本土微生物降解TCE的机制，从而为其在CHCs生物修复中的实际应用提供理论支持。

试剂、生物刺激剂和土壤

三氯乙烯（TCE，纯度≥99%，CAS 79-01-6）和正己烷（色谱级，CAS 110-54-3）购自Aladdin Biochemical Technology Co., Ltd。乙酸乙酯（色谱级，CAS 141-78-6）、N-丁酰基-高丝氨酸内酯（C4-HSL，纯度96%，CAS 67605-85-0）、N-己酰基-高丝氨酸内酯（C6-HSL，纯度96%，CAS 147852-83-3）、N-辛酰基-高丝氨酸内酯（C8-HSL，纯度96%，CAS 147852-84-4）、N-十二酰基-高丝氨酸内酯（C12-HSL，纯度≥96%，CAS 137173-46-7）

生物修复过程中TCE的变化

在没有微生物的情况下，将YEMs添加到含TCE的水溶液中。实验期间未观察到TCE浓度的显著变化，这证实了YEMs中的胞外代谢物不会直接降解TCE。因此，在添加了YEMs的微生物培养物中观察到的TCE去除增强反映了生物活性而非化学降解。在120天的基于生物刺激的修复过程中，TY组的最大TCE去除率

讨论

本研究表明，作为廉价生物刺激剂的YEMs显著促进了本土微生物对TCE的降解。从宏观环境特征和功能指标的角度来看，YEMs的添加显著改变了土壤化学性质（包括TOM、TOC、DOC、TN、TP和AS），并增加了DHA、LPS和FDA水解酶的活性。此外，它还影响了细菌群体感应信号分子（C6-HSL和C8-HSL）的合成和分泌

CRediT作者贡献声明

谢光红：数据整理。赵燕：资源获取。任源：写作——审稿与编辑、监督、概念构思。姜银：数据整理。王静辉：方法学。张志琦：方法学。陈国涛：正式分析。孟媛：写作——初稿撰写、可视化、调查、正式分析。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了中国国家重点研发计划（项目编号2020YFC1808803）的支持。

术语表

YEMs

Yarrowia lipolytica的胞外代谢物

CHCs

氯化烃

TCE

三氯乙烯

QS

群体感应

AHLs

酰基-高丝氨酸内酯

C4-HSL

N-丁酰基-高丝氨酸内酯

C6-HSL

N-己酰基-高丝氨酸内酯

C8-HSL

N-辛酰基-高丝氨酸内酯

C12-HSL

十二酰基-高丝氨酸内酯

DHA

脱氢酶

LPS

脂肪酶

FDA

荧光素二乙酸酯

TOC总有机碳

DOC溶解有机碳

TOM总有机质

TN总氮

TP总磷

AS可利用硫

PCoA主坐标分析